現(xiàn)如今世界各大汽車公司均積極開發(fā)節(jié)能減排新技術(shù)，大力發(fā)展新能源汽車。總所周知，電動車的動力源由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機變?yōu)殡姍C，電機的性能直接影響著汽車的續(xù)航里程和行駛性能。關(guān)于電動機的基本知識在此不再贅述，想了解的讀者可以看筆者的上一篇文章《永磁同步電動機淺析》。相信有不少人看過下面的這張圖片，也說明了不同國家新能源汽車采用驅(qū)動電機的差異。今天具體介紹一下特斯拉model 3使用的永磁同步電機，以及特斯拉采用永磁同步電機的原因。
圖1 中美汽車驅(qū)動電機差異
首先說一下永磁同步電機的市場前景，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2017年1-10月我國新能源汽車在乘用車領(lǐng)域,永磁同步電機占比78.1%;在客車領(lǐng)域永磁同步電機占比94.6%;在專用車領(lǐng)域永磁同步電機占比78.6%，此外比亞迪、宇通客車以及聯(lián)合汽車電子等企業(yè)所使用的電機產(chǎn)品均為永磁同步電機。(引自公眾號 電機技術(shù)與應(yīng)用)可見永磁同步電機是新能源車領(lǐng)域應(yīng)用最廣的電機，究其原因是因為相較其他電機,具有功率密度大、效率高、重量輕等優(yōu)勢。
圖2前五批推薦車型目錄電機類型分布
對于異步電機而言，因為需要轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生電流，則定子和轉(zhuǎn)子自不能相對靜止，那么轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速永遠不會等于定子轉(zhuǎn)速，這就是異步電機名字的由來。那么何為"同步"?即怎么做到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于定子轉(zhuǎn)速呢?
其實不是很難，當(dāng)轉(zhuǎn)子不再依靠定子的旋轉(zhuǎn)磁場，不再通過切割磁感線產(chǎn)生電流和磁場，而是通過另外一種方式產(chǎn)生磁場(比如給電機轉(zhuǎn)子接直流電源將其變成一個電磁鐵)，由于定子旋轉(zhuǎn)磁場的存在依舊會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而且定子和轉(zhuǎn)子會以相同的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，那么這樣的電機就叫同步電機。當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體采用永磁材料加工制造成為永磁體轉(zhuǎn)子時，也可以將電機轉(zhuǎn)子變成電磁鐵產(chǎn)生磁場，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子轉(zhuǎn)速同步(旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速,P為電動機磁極對數(shù))，這也就是永磁同步電機名字的由來，因此可以定義永磁同步電機是由永磁體勵磁產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場的電機。
則永磁同步電機工作原理如下:當(dāng)永磁同步電機定子部分通入由三相逆變器經(jīng)脈寬調(diào)制的三相交流電后，定子電樞會產(chǎn)生空間磁場，它與永磁體轉(zhuǎn)子相互作用，產(chǎn)生與定子旋轉(zhuǎn)磁場旋向相同的電磁轉(zhuǎn)矩輸出。當(dāng)輸出的轉(zhuǎn)矩T超過轉(zhuǎn)子的摩擦轉(zhuǎn)矩以及由于永磁體的阻尼轉(zhuǎn)矩時，電機便開始向外做功，并不斷地加速直至同步。
圖2一種永磁體轉(zhuǎn)子機構(gòu)
接下來簡單介紹一種永磁電機的同步控制原理:永磁電機的同步控制可以看作是對空間磁場的控制，也可以看做定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場的匹配問題，如何通過坐標變換實現(xiàn)模擬直流電機的控制方法來進行控制。將定子電流矢量分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂直，如果給定勵磁電流分量為0，則根據(jù)電工學(xué)知識得到轉(zhuǎn)矩與主磁通和轉(zhuǎn)矩電流分量乘積成正比。當(dāng)通過坐標變換將定子電流矢量分解為勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，便方便了對永磁同步電機的輸出參數(shù)的控制。當(dāng)然還有其他的控制方法，有興趣的讀者可以自行研究。
由于此類電機采用永磁體轉(zhuǎn)子，工作時轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流，因此不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，一方面使得其效率高于其他電機，另一方面使得電機溫升低，延長了電機的使用壽命。永磁同步電機既具有交流電機無電刷機構(gòu)，又具有直流電機調(diào)速性能好的優(yōu)點，都使得其有更為廣闊的應(yīng)用前景，目前大部分汽車廠商都選擇永磁同步電機作為驅(qū)動電機，特斯拉目前也在向這個方向傾斜。
但是由于永磁體轉(zhuǎn)子制造過程中需要用到價格高昂的稀土元素，使得電機成本相對較高;由于永磁材料怕高溫，使得電機在高溫、震動、過流的情況下有退磁的風(fēng)險，需要使用冷卻液也相應(yīng)增加了使用成本。最后介紹一下永磁同步電機用的永磁材料。永磁材料是指一經(jīng)磁化即能恒定保持磁性的材料，常用的永磁材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和復(fù)合永磁材料等;目前永磁同步電機常用的永磁材料為鋁鎳鈷、鐵氧體、釹鐵硼以及稀土鈷，如今大部分永磁體轉(zhuǎn)子用的是稀土鈷。稀土永磁材料指的是含有稀土金屬的永磁材料，主要是稀土鈷和釹鐵硼永磁材料。稀土被稱為"工業(yè)維生素"，稀土元素氧化物是元素周期表中原子序數(shù)為57 到71的15種鑭系元素氧化物，以及與鑭系元素化學(xué)性質(zhì)相近的鈧(Sc)和釔(Y)17 種元素的氧化物。稀土的主要應(yīng)用范圍之一是永磁，在新能源、航空航天、軍工設(shè)備、生物技術(shù)以及節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域得到應(yīng)用，是極其重要的戰(zhàn)略資源。